module (03) arc breaking technologies and current interrupt

22
LV , MV & HV Switchgear Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption Page1of22 Module 03 Arc Breaking Technologies and Current Interruption

Upload: kopi143

Post on 14-Apr-2015

27 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

s

TRANSCRIPT

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 1 of 22 

 

Module

03 Arc Breaking Technologies

and Current Interruption

 

 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 2 of 22 

3.1       INTRODUCTION 

The circuit‐breakers, as they have been defined earlier in chapter 1, are automatic switches which can interrupt fault 

currents. In some applications, like single phase traction systems, single‐pole circuit‐breakers are used. The part of the 

circuit‐breaker  connected  in one phase  is  called  the  "pole".  The  circuit‐breaker  suitable  for  three phase  system  is 

called a  triple‐pole circuit‐breaker. Each pole, of  the circuit‐breaker, comprises one or more  "interrupters" or  "arc‐

extinguishing chambers". The interrupter encloses a set of "fixed and moving contacts". The moving contacts can be 

drawn apart by means of the operating links of an operating mechanism. 

 

The  electric  arc,  produced  by  the  separation  of  current  carrying  contacts,  is  a  type of  electric discharge  between 

electrodes.  In circuit‐breakers,  the arc persists during  the brief period after separation of current carrying contacts. 

The circuit‐breaker should be capable of extinguishing the arc without getting damaged. The arc  is  interrupted by a 

suitable medium and by adopting suitable technique for arc extinction. The circuit‐breakers can be classified on the 

basis of arc extinction medium. 

 

The arc plays an important role in the behavior of the circuit breaker. The interruption of d.c. arcs is relatively more 

difficult  than a.c. arcs.  In a.c. arcs, as  the current becomes zero during  the  regular wave,  the arc vanishes and  it  is 

prevented  from  re‐striking.  Circuit‐breakers  employ  various  techniques  to  extinguish  the  arc  resulting  from  the 

separation of  the  current  carrying  contacts.  The mode of  arc  extinction  is  either  "high  resistance  interruption" or 

"zero‐point  interruption".  High  Resistance  Interruption:  In  this  process,  the  resistance  of  the  arc  is  increased  by 

lengthening and cooling it to such an extent that the system voltage is no longer able to maintain the arc and the arc 

gets extinguished. This technique is employed in air break circuit‐breakers and d.c. circuit‐breakers. 

 

Low Resistance or Zero‐point  Interruption:  In  this process,  the arc gets extinguished at natural current zero, of  the 

alternating current wave, and is prevented from restriking again by rapid build‐up of dielectric strength of the contact 

space. This process is employed in almost all a.c. circuit‐breakers. The theory and manner in which the various types of 

circuit breaker and contactor extinguish the arc and interrupt the current is dealt with in the following. 

 

3.2       BREAKING TECHNOLOGIES IN BRIEF 

3.2.1        ARC EXTINGUISHERS 

An arc extinguisher  is the component of the circuit breaker that extinguishes an arc when the contacts are 

opened. Figure 3.1 shows arc extinguishers  in a  low voltage circuit breaker. An arc  is a discharge of electric 

current crossing a gap between two contacts. Circuit breakers must be designed to control them because arcs 

cannot  be  prevented.  There  are  four  techniques  to  extinguish  an  arc  and  there  are  several  arc  control 

methods. In this topic, those methods will be introduced. 

 Figure (3.1) The arc extinguishers in a low voltage circuit breaker 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 3 of 22 

3.2.2       WHAT IS AN ARC? 

Do you ever recall pulling a plug from a wall socket (Fig. 3.2) and seeing what appeared to be sparks? What 

you were observing, on a very small scale, was an attempt at arc formation between the wall contacts and 

the plug contacts  in your hand. For the sake of this discussion,  let’s define an arc as a discharge of electric 

current crossing a gap between two contacts. 

 Figure (3.2) Typical ARC 

Arcs are formed when the contacts of a circuit breaker are opened under a load. Arcs can be very destructive and vary 

greatly  in  size and  intensity. The  size of  the arc depends on  the amount of current present when  the contacts are 

pulled apart. For example, an arc that forms when normal load current is broken is insignificant compared to the arc 

that  forms when a short circuit  is broken. Because arcs cannot be prevented, circuit breakers must be designed  to 

control them. 

 

The heat associated with an arc creates an  ionized gas environment. The more  ionization, the better the conditions 

are  for an arc  to be maintained and grow. The bigger  the arc,  the more heat  created, which  increases  ionization. 

Arcing is a condition that must be dealt with quickly and effectively by a circuit breaker. 

The important thing to remember here is that the ability of the circuit breaker to control the arc is the key to its short 

circuit  interrupting  capability.  This  is  a  critical  factor  for  selecting  circuit  breakers.  A  short  circuit  is  the  most 

devastating over‐current condition. 

 

Current Zero or Zero Point is a very important aspect to arc extinguishing. At current zero, conditions are optimal for 

preventing an arc from continuing. The current is said to be “Current Zero” when the sine curve is at 0°, 180° and 360° 

(Fig. 3.3). 

 Figure (3.3) Current Zero 

 

Voltage  is  also  a  very  important  consideration  because  it  is  the  pressure  that  keeps  the  current  moving.  Left 

unchecked, voltage will keep pushing the current through current zero and give new life to the arc. Voltage does not 

take kindly to being stopped  in  its tracks during the extinguishing of an arc.  If  it reignites,  it can damage the whole 

electrical system. 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 4 of 22 

Circuit breakers take this process into account by simultaneously opening the contacts and extinguishing the arc. The 

successful extinguishing of the arc depends on the Dielectric Strength of the gap between the contacts. The dielectric 

strength  is  the maximum  voltage  a  dielectric  can withstand without  breaking  down. A Dielectric  is  any  insulating 

material  between  two  conductors.  In  these  discussions,  the  circuit  breaker  contacts  are  the  conductors  and  the 

insulating material can be air, gas or a vacuum. If the dielectric strength is greater than the voltage trying to re‐ignite 

the arc, the arc extinguishing will be successful. 

 

The  invention of a device called DE‐ION® arc extinguisher  in  the early 1900s by Westinghouse was a  revolutionary 

advance in arc interruption. Improved versions were used for years with a majority of circuit breakers and continue to 

be used today with low voltage circuit breakers. 

 

A number of other approaches to arc control have also been tried. One of the success stories  is the use of Vacuum 

Interruption with medium voltage breakers. 

 

3.2.3     ARC CONTROL TECHNIQUES 

Each approach has made improvements to its initial concept in an effort to extinguish arcs more efficiently. Arc 

control methods utilize one or more of the following general techniques: 

Stretching Arc: The arc  is produced when the contacts part. As the gap widens, the arc  is stretched (Fig. 3.4) 

and cooled to the point where it is extinguished. 

 Figure (3.4) Stretching ARC 

Breaking Arc  into Smaller Pieces: The arc  is produced when the contacts part. The arc moves up  into the arc 

divider and splits (Fig. 3.5), cools and is extinguished. 

 Figure (3.5) Breaking ARC 

Blowing Out Arc: In this method, a high‐pressure gas blows the arc into an arc divider to be extinguished (Fig. 3.6). 

  

Figure (3.6) Blowing out arc 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 5 of 22 

Enclosing Contacts:  In  this method,  the contacts are housed  in an oxygen‐free enclosure  (Fig. 3.7) with a dielectric 

such as a vacuum, gas or cooling oil. Without oxygen, the arc cannot sustain itself and the arc is extinguished. 

 Figure (3.7) Enclosing contacts 

3.2.4   ARC CONTROL METHODS 

There are six methods used around the world today to deal with arc control, arc chute, vacuum interrupter, SF6 

minimum oil, magnetic coil, Puffer 

 

The  arc  chute method:  only  uses  the  Breaking  Arc  into  Smaller  Pieces  technique.  Arc  chutes  are  normally 

associated with  low voltage circuit breakers due  to efficiency and cost.  In general, an arc chute will confine, 

divide and cool an arc  (Fig. 3.8), resulting  in the arc being unable to sustain  itself. There  is one arc chute for 

each set of contacts. 

 

  

Figure (3.8) Arc chute method 

 

The vacuum interrupter: method uses the Enclosing Contacts technique to extinguish arcs. The vacuum enables 

the contacts to be smaller and eliminates the divider, making this method the most cost effective and efficient 

above 1000V. Arcing takes place within a sealed evacuated enclosure (Fig. 3.9). The contacts are located inside 

and arcing occurs when the contacts are separated. Because the environment inside the interrupter envelope 

is a vacuum, an arc cannot be easily sustained.  It will not reach the  intensity possible with an arc chute. One 

vacuum interrupter is provided for each set of contacts. 

 

  

Figure (3.9) Vacuum interrupter method 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 6 of 22 

The SF6 method: also uses the Enclosing Contacts technique. It was a precursor to the vacuum interrupter and 

used SF6 gas as  the dielectric  (Fig. 3.10). The heat energy  created by  the arc works  to break apart  the SF6 

molecules . The larger the arc, the greater the breakdown of the gas which aids in extinguishing the arc . 

 

  

Figure (3.10) SF6 method 

 

The minimum oil method: also uses Enclosing Contacts with oil as the dielectric  (Fig. 3.11). The arc energy  is 

absorbed as it rips hydrogen away from the oil molecule. The oil itself also helps to cool the arc. As current zero 

is approached, more oil is drawn into the system, further cooling and Deionizing the arc. It is used today in low 

voltage situations and potentially explosive environments where an arc chute is not desirable. 

 

  

Figure (3.11) Minimum oil method 

 

The magnetic  coil method: uses  the Breaking Arc  into Smaller Pieces  technique.  It  is very  similar  to  the arc 

chute method. The natural movement of an arc  is upward,  in this  instance,  into an arc chute. A coil, called a 

blowout  coil,  is  located  in  the  centre of  the  arc  chute  (Fig. 3.12).  The  arc  is broken  into  two.  The  arcs  are 

lengthened  and  cooled  as  they  rise higher. The  cooling  reduces  the  rate of  ionization. When  the  ionization 

drops below the level necessary to sustain the arcs, they extinguish at current zero. Prior to vacuum interrupter 

technology becoming  the method of choice with medium voltage power breakers  for extinguishing arcs,  the 

magnetic coil method served well for many years. 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 7 of 22 

 

 

 

Arc runners 

Arc splitters 

Elongated arc 

Arc in process of travelling 

Blowout coils 

Origin of arc  

Figure (3.12) Magnetic blowout coil 

The  puffer method:  uses  the  Blowing  Out  Arc  and  Enclosing  Contacts  techniques.  It  uses  SF6  gas  as  the 

dielectric. It is the most efficient and cost effective method above 38 kV. This type interrupter is basically a pair 

of separable contacts, a piston and a cylinder, mounted  in a reservoir of gas (Fig. 3.13). As the contacts part, 

the piston moves up to drive the gas through the arc to interrupt it. It also utilizes coils and takes advantage of 

natural magnetic affects to create a force sufficient to extinguish the arc. 

 Figure (3.13) Puffer method Current Interruption in A.C. Circuit‐Breakers 

 

3.3         INTRODUCTION TO CURRENT INTERRUPTION IN AC CIRCUIT BREAKERS 

The waveforms of the current and the voltage during the arc interruption process will be studied in this chapter. This 

description applies to the circuit‐breakers employing the principle of zero‐point interruption. Every a.c. circuit‐breaker 

generally adopts  the  zero‐point  interruption  technique. Consider a  circuit‐breaker  connected  to a generator on no 

load at  rated  terminal voltage. The circuit‐breaker  is  in open position and  the other side of circuit‐breaker  is short 

circuited (Fig. 3.14). 

 Figure (3.14) Alternator circuit breaker closing on 3‐phase short circuit. 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 8 of 22 

Let  the circuit‐breaker be closed at  the  instant when voltage of  terminal B w.r.t. neutral  is zero.  In such a case  the 

short  circuit  current  in  phase  B  will  have  maximum  d.c.  component  and  the  waveform  of  current  will  be 

unsymmetrical about normal zero axis as shown in Fig. 3.15. 

 

The  figure  shows  the  typical waveform  of  short  circuit  current  in  a  phase  having maximum  d.c.  component.  The 

generator is on no load before t = 0. Hence the current is zero before t = 0. At t = 0, the short circuit is applied and the 

current increases to a high value during the first quarter cycle. The peak of the first major current loop (shown dotted) 

is OM and this is the maximum instantaneous value of current during the short‐circuit. This instantaneous peak value 

of the first major current loop is called the Making current. In the figure the making current is OM. We will come back 

to this making current after covering the remaining process. 

The circuit‐breaker contacts separate after a few cycles since the relay and the operating mechanism takes at least a 

couple of cycles. Let us assume that the circuit‐breaker contacts separate at t = T1. The r.m.s. value of short circuit 

current at the instant of contact separation is termed as Breaking current. 

 

  

Figure (3.15) Oscillogram of current and voltage during fault‐clearing. 

After the separation of contacts of the circuit‐breaker, an arc  is drawn between the contacts. The arc current varies 

sinusoidally  for  a  few  cycles.  At  t  =  T2,  a  particular  current  zero,  the  dielectric  strength  of  arc  space  builds  up 

sufficiently so as to prevent the continuation of arc. At the current zero, this arc is extinguished and is interrupted. 

 

Meanwhile what is happening to the voltage between contacts? This voltage is recorded in Fig. 3.15. Before t = 0, the 

contacts are closed and the voltage between them  is zero. After the separation of the contact  (t = T1), the voltage 

across contact  increases,  in fact this voltage  is the voltage drop across the arc during the arcing period. The voltage 

across arc  is  in phase with current since the arc  is resistive. The peculiar waveform shape  is a result of volt‐ampere 

characteristic of arc‐discharge. During subsequent half cycles, the voltages across contact increases due to increased 

arc  resistance. Finally at  t = T2, when arc gets extinguished, a high  frequency voltage  transient appears across  the 

contacts which is superimposed on power frequency system voltage. This high frequency transient voltage tries to re‐

strike  the  arc. Hence  it  is  called Restriking Voltages or  Transient Recovery Voltage  (TRV).  The  restriking  voltage  is 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 9 of 22 

transient  voltage  appearing  across  breaker  pole  after  final  current  zero.  The  power  frequency  system  voltage 

appearing  between  the  poles  after  arc  extinction  is  called  Recovery  Voltage.  The  transient  recovery  voltage  or 

restriking voltage has a profound effect on circuit‐breaker behavior. The current that would flow  in the circuit  if the 

circuit‐breakers were replaced by solid conductor is called prospective current. 

 

The  transient  recovery  voltage  (TRV)  appearing  across  the  circuit‐breaker  pole  immediately  after  the  final  arc 

interruption  causes  a  high  dielectric  stress  between  the  circuit‐breaker  contacts.  If  the  dielectric  strength  of  the 

medium between  the contacts does not build up  faster  than  the  rate of  rise of  the  transient  recovery voltage,  the 

breakdown takes place causing re‐establishment of the arc.  If the dielectric strength of the contact‐space builds up 

very  rapidly  so  that  it  is more  than  the  rate of  rise of  transient  recovery voltage  the circuit‐breaker  interrupts  the 

current successfully. The rate of rise of TRV generally depends on the circuit parameters and the type of the switching 

duty involved. The rate of building up of the dielectric strength depends upon the effective design of the interrupter 

and the circuit‐breaker. 

 

While switching capacitive currents, the high voltage appearing across the contact gap can cause re‐ignition of the arc 

after initial arc extinction. If the contact space breaks down within a period of one‐fourth of a cycle (0.02×0.25 second) 

from  initial arc extinction, the phenomenon  is called Reignition. If the breakdown occurs after one‐fourth of a cycle, 

the phenomena is called Restrike. 

 

3.4      TRANSIENT RECOVERY VOLTAGE (TRV) 

In alternating current circuit‐breakers, the current interruption takes place invariably at the natural zero of the current 

wave. After a  current  zero,  the arc gets extinguished  if  the  rate of  rise of  transient  recovery  voltage between  the 

contacts is less than the rate of gain of the dielectric strength. The voltage appearing between the breaker contacts at 

the moment of final current zero has a profound influence on the arc extinction process. 

 

 

 

 

(a)  (b)

Voltages after final current zero (TRV) (Simplified) Shape  of  TRV  waveform  as  seen  from  Cathode‐ray 

oscillographic record 

 

Figure (3.16) Voltage across circuit breaker contacts during and after fault extinction 

The voltage appearing across contacts after current zero is a transient voltage of higher natural frequency (restriking 

voltage) superimposed on the power frequency system voltage (recovery voltage). The transient component vanishes 

after a short time of the order of less than 0.1 milli‐sec and the normal frequency system voltage is established. Figure 

3.16 illustrates the waveform of the recovery voltage and restriking voltage. After current zero the voltage appearing 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 10 of 22 

across  the  contacts  is  composed  of  transient  restriking  voltage  and  power  frequency  recovery  voltage.  Recovery 

voltage is the voltage which appears across the terminals of a pole of a circuit‐breaker after the breaking of current. It 

refers to the breaker‐pole first to clear, while the transient recovery (TRV) or Restriking Voltage is the recovery voltage 

during the time in which it has a significant transient character. TRV lasts for a few tens or hundreds of microseconds 

(Fig. 3.16b). It may be oscillatory or non‐oscillatory or a combination, depending upon the characteristics of the circuit 

and the circuit‐breaker. It is the voltage across the first pole to clear. The same is generally higher than across the two 

poles which clear later. 

 

Power Frequency Recovery Voltage is the recovery voltage of power frequency (50 Hz.) appearing after the transient 

voltage has been subsided. The Transient Recovery Voltage refers to the voltage across the pole immediately after arc 

extinction. Such voltage has a power‐frequency component plus an oscillatory transient component. The oscillatory 

transient component is due to the inductance and capacitance in the circuit. The power frequency component is due 

to  the  system voltage  (Fig. 3.16). The  transient oscillatory  component  subsides after a  few micro‐seconds and  the 

power frequency component continues. The frequency of transient component is given by 

 

Hz2

1LC

fn π=

  

where   fn = frequency of transient recovery voltage, Hz 

      L = equivalent inductance, Henry 

      C = equivalent capacitance, Farad. 

 

In actual systems the waveform of the transient recovery voltage has several component frequencies ranging from a 

few hertz to several thousand hertz, depending upon the values of the circuit parameters. 

 

3.4.1       EFFECT OF NATURAL FREQUENCY OF TRV 

Figure 3.17 illustrates the slopes of tangents to three TRV waveforms of different frequencies (fn , f2n , f4n). 

With increase in the natural frequency, the rate of rise of TRV (RRRV) at current zero increases. 

 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 11 of 22 

 

Figure (3.17) Effect of frequency of TRV on the RRRV 

 

The rate of rise of transient recovery voltage across circuit‐breaker pole causes voltage stress on the contact‐

gap  tending  to  continue  the  arc. With  higher  frequency  (say  f4n),  relatively  less  time  is  available  for  the 

building of dielectric strength of the contact gap. Hence higher frequency is associated with greater stresses. 

 

The breaking capacity of a circuit‐breaker (r.m.s. value of current, which the circuit‐breaker can interrupt) is 

related with the rate if rise TRV and, therefore, natural frequency of TRV. The breaking capacity reduces with 

increase in natural frequency. 

 

3.4.2     EFFECT OF POWER‐FACTOR ON TRV 

The voltage appearing across the circuit‐breaker pole at the instant of final current zero is influenced by the 

power‐factor  of  the  current  (Fig.  3.18).  The  arc  gets  extinguished  at  current  zero.  The  power‐frequency 

voltage  appears  across  the  circuit‐breaker  pole.  The  instantaneous  value  of  the  voltage  at  the  instant  of 

current zero depends upon the phase angle between current and voltage. For unity power‐factor loads, the 

voltage and current are  in phase and both are zero at  the same  instant  (Fig. 3.18a). For zero power‐factor 

currents,  the peak of  the voltage  (emax)  is  impressed on  the circuit‐breaker pole at  the  instant of current 

zero. Such sudden application of voltage gives rise to severe transient and has a high rate of rise of TRV (Fig. 

3.18b). Hence interrupting currents of low power‐factor is a difficult switching duty. 

 

 

3.4.3      EFFECT OF REACTANCE‐DROP ON POWER‐FREQUENCY RECOVERY VOLTAGE 

Suppose V1 is voltage at the location of the circuit‐breaker before fault. During the fault the increased current 

cause an increase in the voltage drop in the reactance. As a result the voltage appearing at the location of the 

fault,  immediately  after  fault  clearance  say V2  is  slightly  less  than V1.  It  takes  some  time  for  the  system 

voltage to regain the original value V1. Hence the power frequency recovery voltage is slightly less than the 

normal power frequency system voltage. 

 

    

(a) Unity power factor: e0 at i0 (b) Zero power factor: emax at i0 

 

Figure (3.18) Effect of power factor on instantaneous value of voltage at current zero. 

 

 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 12 of 22 

3.4.4      EFFECT OF ARMATURE REACTION ON RECOVERY VOLTAGE 

    The short‐circuit currents are at lagging power factor and, therefore, have a demagnetizing armature reaction 

in alternators. As a result, the  induced e.m.f. of alternators reduces during short‐circuit currents. The e.m.f 

requires some time to regain its original value. Hence the power frequency component of recovery voltage is 

slightly less than the normal value of system voltage. 

 

 

 

3.4.5       EFFECT OF THE FIRST‐POLE‐TO‐CLEAR 

Refer  to Figure 3.19  illustrating a  three phase  fault not  involving  the earth. The voltage across  the circuit‐

breaker pole, first to clear is 1.5 times the phase voltage. In three‐pole circuit‐breakers, arc extinction in the 

three  poles  is  not  simultaneous  as  currents  in  three  phases  are mutually  120o  out‐of‐phase. Hence,  the 

power‐frequency recovery voltage of the phase in which the arc gets extinguished first, is about 1.5 times the 

phase voltage. In practice the recovery voltage of the pole, first‐to‐extinguish the arc is of the order of 1.2 to 

1.5 times.  If the neutral  is grounded through reactor and  if the fault  involves earth, the recovery voltage at 

the location of the circuit‐breaker is influenced by the equivalent system reactances and can be calculated by 

the method of symmetrical components. 

 

3.4.6       THE FIRST‐POLE‐TO‐CLEAR FACTOR 

To consider the effect of the first‐pole‐clear on the power frequency component of the recovery voltage, the 

following factor has been defined in the standards on high voltage a.c. circuit breakers. 

The first pole to clear factor is defined as 

removedfault with voltageneutral toPhasephasefaulty & phasehealthy between voltageRMSfactorclear -to-pole-first The =

 at the location of the circuit‐breaker during a phase ‐to‐phase fault. Referring to Fig. 3.20, first‐pole‐to‐clear factor is 

the ratio  RN

RY

VV

 at the location of the circuit‐breaker for a phase‐to‐phase fault. 

 

 

Figure (3.19) Voltage across the phase, first‐to‐open . 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 13 of 22 

  

Figure (3.20) Explaining the first‐pale‐to clear factor (VRY/VRN) 

 

3.5       SINGLE FREQUENCY TRANSIENT 

The  single  frequency  restriking  voltage  transient  is  produced  in  the  circuit  illustrated  in  Fig.  3.21b.  Frequency  of 

oscillation is given by the natural frequency of the circuit, i.e. Hz

LCfn π2

1=

 

 

where   L = inductance, Henry 

    C = capacitance, Farads. 

 

These frequencies are of the order of 10 to 10,000 Hz depending upon the value of L and C. The actual power system 

is composed of distributed capacitance and  inductances. The circuit configuration  is also complex. The TRV for such 

circuits  can  have  several  component  frequencies  ranging  from  a  few  Hertz  to  several  kilohertz.  A  typical  single 

frequency transient is illustrated in Fig. 3.21a. Such a transient is obtained while opening on a terminal fault. In such 

cases the reactance between the fault and the circuit‐breaker is negligible. 

 

 

 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 14 of 22 

 

 

 

 

(a) waveform  (b) Circuit 

Figure (3.21) Explaining single frequency transient of TRV. 

 

3.6       DOUBLE FREQUENCY TRANSIENTS 

The circuit may have L and C on both sides of the circuit‐breaker as shown in Fig. 3.22a. Before clearing the fault, both 

terminals 1 and 2 are at the same potential. After arc extinction both circuits oscillate at their own natural frequencies 

and  a  composite  double  frequency  transient  appears  across  the  circuit  breaker  pole  (Fig.  3.22b).  In  general  the 

frequencies and waveform, rate of rise and peak value of the TRV depends upon, several aspects such as: 

network configuration 

type of fault 

type of neutral earthing 

 

 

  

 

(a) circuit  (b) waveform 

Figure (3.22) Double frequency transient of TRV . 

The TRV wave can be defined by various methods such as 

specifying the peak and time to reach the peak. 

specifying the TRV wave by defining the segment of lines which enclose the TRV waveform. 

The latter method has been now universally adopted. 

 

3.7       RATE OF RISE OF TRV 

The  rate of  rise of  restriking voltage usually abbreviated by R.R.R.V.  is a  rate expressed  in Volts per micro‐second, 

represents  the  rate of  increase  in  restriking  voltage. The  rate of  rise of Transient Recovery Voltage  (TRV)  and  the 

natural frequency of TRV are closely associated. The rate of the rise of TRV depends on the system parameters. The 

circuit breaker should be capable of interrupting its rated short‐circuit breaking current under the specified conditions 

of TRV. Hence the following characteristics of TRV are significant: 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 15 of 22 

• Peak of TRV, time to reach the peak. Hence the rate of rise of TRV 

• Frequency of TRV • Initial rate of rise 

 

The term rate of rise of restriking voltage is explained as follows. If e is the restriking voltage, 

 secvolts.... −= μ

dtdeVRRR

  

where t is in micro‐seconds and e is in volts. 

 

The peak restriking voltage is defined as the maximum instantaneous value attained by the restriking voltage (em). 

  Referring to Fig. 3.23, R.R.R.V is given by 

 

sec.... −= μVteVRRR

m

m

  

where em peak  restriking  voltage  in  volts and  tm  is  the  time between  voltage  zero and peak  restriking  voltage  in 

micro‐seconds. If Em is the peak recovery voltage in volts, then 

  m

m

EefactorAmplitude =

  

 

secondcycles kilo2103

mtfrequencyNatural =

        (1) 

 

 Figure  (3.23) Measurement of single frequency transient. 

 

Derivation of Restriking Voltage. 

Consider  the  circuit  shown  in  Fig. 3.21b when  current  reaches  zero at final arc extinction, a  voltage e  is  suddenly 

impressed across capacitor and therefore, across the circuit breaker contacts. The current (i) which would flow to the 

fault is coming from discharging the capacitor and from the generator through the inductor. Thus 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 16 of 22 

  dtdeCedt

Li

iii CL

+=

+=

∫1

 

 2

2

dtedC

Le

dtdi

+=                  (2) 

 

Assuming  zero  time  at  zero  currents,  and  further  e  = Emcos(�t)  and ( )t

LEi m ωω

sin= before opening of  circuit 

breaker, 

 ( )t

LE

dtdi m ωω

ωcos=

 

At t = 0,  LE

dtdi m=

 

 

  Substituting in Eq. (2), we get 

 2

2

dtedC

Le

LEm +=

                  (3) 

 

  The solution of this standard equation is 

 

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

LCtEe m cos1

                (4) 

 

  This is an expression for restriking voltage in which 

  Em is the peak value of recovery voltage in Volts, phase to neutral 

  t = time in seconds 

  L = inductance in Henrys 

  C = capacitance in Farads 

  e = restriking voltage in Volts. 

 

Note, Rate of rise of restriking voltage 

  LCt

LCE

dtde m sin=

                 (5) 

 

  R.R.R.V is maximum when its derivative is zero, 

 i.e. ;0 when maximum is

2

2

=dt

eddtde

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 17 of 22 

 

0cos =LCt

LCEm

 or when 

  2π

=LCt

; i.e. 

 LCt

 

  The maximum R.R.R.V is the value of de/dt at LCt

  R.R.R.V.max =  LCEm

                (6) 

 

  Further, peak restriking voltage occurs when e is maximum, i.e. when  wheni.e. ;0 =

dtde

 

 

π=LCt

; i.e. 

  LCt π=   

and peaking restriking voltage is equal to 

 ( ) mm EEe 2cos1 =−= π

                (7) 

 

SUMMARY OF EXPRESSIONS 

 

 

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

LCtEe m cos1

                (8) 

  LCt

LCEVRRR m sin.... =

              (9) 

 

π==LCtEe m at2max

              (10) 

 

LCtLCEVRRR m

2at.... max

π==

            (11) 

  LCfn π2

1=

                   (12) 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 18 of 22 

  It is observed from Eqs. 11 and 12 that 

  R.R.R.V.max = 2π Em fn                (13) 

 

The Maximum Rate of Rise of Restriking  voltage  is proportional  to  the natural  frequency of  the  circuit.  This  is  an 

important conclusion. The circuit with high natural frequency gives a high rate of TRV and produces severe dielectric 

stress on the contact space of the circuit‐breaker. Hence 

            High fn → High rate of rise of TRV 

 

Examples on Restriking Voltage 

Example 1: A 50‐Hz, 3‐phase alternator with grounded neutral has inductance of 1.6 mH per phase and is connected 

to busbar through a circuit‐breaker. The capacitance to earth between the alternator and the circuit‐breaker is 0.003 

μF per phase. The circuit breaker opens when r.m.s. value of current is 7500 A. Determined analytically the following: 

Maximum rate of rise of restriking voltage. 

Time for maximum rate of rise of restriking voltage. 

Frequency of oscillations. 

Neglect first‐pole‐to‐clear factor. 

 

Solution: 

  Frequency of oscillation is given by 

  LCfn π2

1=

 

 

Hz7264410003.0106.12

163=

×××=∴

−−πnf 

 

The recovery voltage can be calculated from the known values of current i and ωL 

  E = i×ωL = i×2πf×L 

      = 7500×314×1.6×10‐3 = 3768     volts‐rms 

  Em  = √2×Erms = √2×3768 = 5329     volts 

 

  Expression for restriking voltage is 

 

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×−=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛×××

−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

−−

6

63

102.2cos15329

10003.0106.1cos15329

cos1

t

tLCtEe m

  

  where e is in volts and t is in sec. 

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 19 of 22 

  Maximum rate at rise of restriking voltage occurs when  wheni.e. ;0

2

2

=dt

ed 

 sec46.32.2

22−=×== μππ LCt

  

  Maximum R.R.R.V is given by 

 

sec-volts24222.2

5329 μ==LCEm

  

Example 2: A three phase alternator has the line voltage of 11 kV. The generator is connected to a circuit‐breaker. The 

inductive reactance up to the circuit breaker  is 5 Ohms per phase. The distributed capacitance up to circuit‐breaker 

between phase and neutral is 0.01 μF. Determine the following: 

• Peak restriking voltage across the c.b. • Frequency of restriking voltage transient. • Average rate of restriking voltage up to peak restriking voltage. • Maximum R.R.R.V. 

• Neglect First Pole to clear factor  

Solution: 

  2πf×L = 5 Ω 

 HL 0159.0

3145

== 

  Vr = 11    kV 

 rmsph kVV 35.6

311

== 

  Emax = √2×6.35 = 9     kV 

 

  Expression for striking voltage 

 

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×−=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛××

−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

6

6

106.12cos19

1001.00159.0cos19

cos1

t

tLCtEe m

  

  Peak restriking vo1tage = 2×Emax =2×9 = l8     kV 

 

  Time for peak restriking voltage, 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 20 of 22 

 sec6.396.12 −=×== μππ LCt

  

  Average rate of restriking voltage 

 

sec455.06.39

18max −== μkVt

e

m   

  Frequency oscillations 

  LCfn π2

1=

 

 Hz12631

106.1221

6 =××=∴

−πnf 

 

  Maximum R.R.R.V. = 

sec-volts7146.12

109 3

μ=×

=LCEm

 

 

Example 3:  In a system the r.m.s. voltage  is 19.1 kV, L  is 10 mH, C  is 0.02 �F. Determine the average rate of rise of 

restriking voltage, when the circuit breaker opens. 

 

Solution: 

 

kVt

tLCtEe m

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×−=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛×××

−×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

−−

6

63

1014.14cos127

1002.01010cos11.192

cos1

  

  Time to reach maximum restriking voltage, 

 sec4.4414.14 −=×== μππ LCt

  

  Peak restriking vo1tage (emax) = 2×Emax =2×27 = 54     kV 

 

  Average rate of restriking voltage 

 

 

sec12164.44

000,54max −== μVt

e

m   

Example 4:  In a short‐circuit test on a 3‐pole circuit‐breaker power factor of fault was 0.4, the recovery voltage was 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 21 of 22 

0.95 times full line value. The breaking current was symmetrical. The frequency of oscillations of restriking voltage was 

15,000 c/s. Estimate the average rate of rise of restriking voltage. The neutral  is grounded and  fault  involves earth. 

Neglect first pole to clear factor. 

 

Solution: 

The maximum  restriking  voltage  is  given  by  2Emax, where  Emax  is  the  instantaneous  value  of  power  frequency 

voltage at the time of current zero. 

  Line to line voltage = 110 kVr.m.s. 

  Line to phase voltage = 3110

 kVr.m.s. 

  Peak Emax =  3110

×√2 = 90 kV 

 

  The power factor = 0.4 

  Hence p.f. angle θ = 66.4o 

  sin θ = 0.92 

 

  Recovery voltage is 0.95 times peak value. 

  The instantaneous value of the recovery voltage is 

  e = kEmax 

  where 

      k = k1×k2×k3 

      k1 = multiplying factor due to power factor angle = sin �  = 0.92 

      k2 = multiplying factor due to system voltage = 0.95 

      k3 = factor depends on circuit conditions = 1 in this case since the fault involves earth 

      k = 0.92×0.95×1 = 0.875 

 

  e = 0.875×90 = 78.75     kV (instantaneous) 

 

  Time to reach the first peak of restriking voltage, 

 

sec21

nm f

t = 

 

sec33sec1033.0000,152

1 4 −=×=×

= − μmt 

 

  Average rate of restriking voltage (R.R.R.V.) 

 

sec8.433

75.7822−=

×= μkV

te

m   

 

LV , MV & HV Switchgear

Module (03) Arc Breaking Technologies and Current Interruption                                                              Page 22 of 22 

3.8      REIGNITION AND RESTRIKE 

Reignition is the reappearing of arc after arc extinction within one‐fourth of a cycle from final current zero. Reignition 

may occur by chance  if  the moving‐contact  travel was  too  small after arc extinction  current  zero. The  contact gap 

breaks down and arc reignites without overvoltage. The arc gets quenched at the very next current zero by which time 

moving‐contact should have moved sufficiently away from the fixed‐contact to withstand the TRV. The reignition itself 

is not harmful as it does not give any overvoltage beyond permissible limit. 

 

Restrike is defined as the reappearance of arc after one‐fourth cycle from the arc extinction current zero. In capacitor 

current breaking, a single restrike gives an overvoltage of about 4 p.u. and a second restrike gives an overvoltage of 

about 6 p.u. resulting in internal and external flashovers, phase to phase as well as phase to ground. 

 

3.9        SPECIFYING THE TRV WAVE 

The TRV waveform can be specified by various methods (Fig. 3.24) such as Specifying the peak value and time to reach 

the peak  (Fig. 3.24a). This method was used earlier. Specifying  the parameters which determine  the  line segments 

enveloping the TRV wave (Fig. 3.24b). 

 

    

(a)     Two‐parameter method, VC, t3 (b)     Four‐parameter method, V1, VC, t1, t3

 

Figure (3.24) Possible methods defining TRV waveform (t in μs) 

 

SUMMARY 

The sudden short‐circuit in an a.c. system causes a rise in current in the short‐circuited phases. The current increases 

to several times the normal current, during the first quarter cycle. Thereafter the amplitude of the waveform reduces 

successively, while  passing  through  the  sub‐transient,  transient,  and  steady  state.  The waveform  is  asymmetrical 

about the normal zero axis. The value of current at the peak of the first major or current loop is called making current. 

The r.m.s. value at the instant of contact separation is called breaking current. 

 

The voltage appearing across the circuit‐breaker pole after final current zero is called recovery voltage. The recovery 

voltage containing the high frequency component is called Transient Recovery Voltage (TRV). TRV tries to restrike the 

arc. The ability of the circuit‐breaker to clear the short‐circuit depends upon the rate of rise of dielectric strength of 

the gap, which should be more than the rate of rise of TRV.